Origine de la fracturation des aquifères de socle : quels - CFH

VingtièmesjournéestechniquesduComitéFrançaisd’Hydrogéologie
del’AssociationInternationaledesHydrogéologues.
«Aquifèresdesocle:lepointsurlesconceptsetlesapplicationsopérationnelles»LaRoche‐sur‐Yon,juin2015
Originedelafracturationdesaquifèresdesocle:quelssontles
facteursquicontrôlentlespropriétésdel’horizonfissuré?
Originoffracturationinhard‐rockaquifers:whatarethefactors
thatcontrolthepropertiesofthefissuredhorizon?
RobertWyns(1),BenoîtDewandel(2)etPatrickLachassagne(3)
(1)BRGM,ISTO,UMR7327,Orléans;(2)BRGM,D3E,Montpellier;(3)DanoneWaters,Evian‐
Volvic‐World,BP87,74500Evian‐les‐BainsCedex
[email protected]
I. INTRODUCTION
Ladécouvertedel’horizonfissurédanslapartieprofondedesprofilsd’altérationaétéfaiteàlafindes
années1990danslecadred’unprojetderechercheduBRGMsurlespropriétésphysiquesdesrochesen
contextedesoclealtéré.Dèsledébutdesannées2000,l’intérêtdecettedécouverteenhydrogéologiea
suscitédenombreuxtravauxdevalidationmenésdansdifférentesrégionsduMonde(France,Inde,Corée
dusud,Afrique,Guyane,NouvelleCalédonie…)(Dewandeletal.,2006;Lachassagneetal.,2011et2014).
Parallèlement,l’étudedesconditionspermettantledéveloppementdesprofilslatéritiquesapermisde
démontrerqueceux‐ciétaientreprésentéssoustoutesleslatitudes,leclimatnejouantqu’unrôlemineur.
Nousprésenteronsicil’organisationdestypesd’altérationàl’échelled’uncontinent,puislesmécanismesà
l’originedelafissuration,etenfinlescritèreslithologiques(minéralogie,structureettexturedesroches)
favorisantledéveloppementd’unhorizonfissuré.
II. CLASSIFICATIONDESALTERATIONSSUPERGENES
Lesdifférentstypesd’altérationsupergène,résultantdel’interactioneau‐roche,formentunesérie
continueallantd’unpôlesoustractif(pertenettedematièreparrapportàl’étatinitial)àunpôleadditif
(gainnetdematière)(Figure1).
Figure1‐Classificationdesaltérationssupergènes(modifiédeWyns2002,Wynsetal.,2003et2014),
etmigrationdescationsetanionsàl'échellecontinentale

VingtièmesjournéestechniquesduComitéFrançaisd’Hydrogéologie
del’AssociationInternationaledesHydrogéologues.
«Aquifèresdesocle:lepointsurlesconceptsetlesapplicationsopérationnelles»LaRoche‐sur‐Yon,juin2015
II.1 L’altérationsoustractive
Lesprofilsd’altérationsoustractivecomprennentlesprofilslatéritiques(surrochesplutoniques,
métamorphiquesouvolcaniques),lesprofilsbauxitiques(surlesmêmesfamillesderochesmaispauvresen
quartz,ainsiquesurlesrochesmarneusesouargileuses),etlesprofilssurrochessédimentaires(argilesà
silexouàchailles,sablesàsilex,manteauxd’argilekaolinique).Lemécanismeprincipaldel’altération
soustractiveestl’hydrolysedesminérauxprimairessousl’actiondel’eau,miseensolutiondescationset
anionslesplussolublesetleurévacuationversl’aval,etprécipitationdeminérauxnéoformés
(principalementargiles,hydroxydesetoxydes)àpartirdesélémentschimiquesrestéssurplace.Pourque
l’hydrolysedesminérauxprimairessoitpossible,lacompositionchimiquedel’eaudoitêtreenpermanence
sous‐saturéeparrapportauxminérauxdelaroche,cequiimpliquequel’eaupuisses’écouler:ondoitêtre
àl’amontd’ungradienthydrauliquerégional.Lesaltérationssoustractivessedéveloppentdoncsurdes
régionsémergéesetsoulevéesdeslithosphèrescontinentales(épaulementsderifts,flambage
lithosphérique,passaged’uneplaquesurunpointchaud…),aprèsunephased’aplanissementpermettantà
l’eaudes’infiltrerlentement(unepentemoyennefortefavoriseleruissellementetl’érosionmécanique).
Laduréedefonctionnementd’unprofild’altérationestdeplusieursdizainesdemillionsd’années,etde
nombreuxprofilssontpolyphasés.Desétudesencoursmontrentquedesprofilslatéritiquesavechorizon
fissurétrèsépaisexistentdansbeaucoupdechaînesdemontagne(surfacesperchéespyrénéennespar
exemple).
II.2 L’altérationadditive
Leprincipalmécanismedel’altérationadditiveestlaprécipitationdeminérauxnéoformésdanslazonenon
saturéeàpartirdesélémentsdissousdansl’eausouterraine,lemoteurpermettantd’atteindrelalimitede
saturationdesdifférentsminérauxétantl’évapotranspirationetledégazageduCO2(Wynsetal.,2014).Ce
fonctionnementimpliquequelasurfacedelanappesoitàfaibleprofondeur(quelquesmètres)sousla
surfacedusol:cetyped’altérationsedéveloppedoncdanslespointsbasdupaysage(grandesdépressions
intracontinentales,fossésd’effondrement,côtesbasses).Parailleursl’évapotranspirationdoitêtre
supérieureauxprécipitations.Lesminérauxnéoformésformentdescuirassementsdesquelques
décimètresàquelquesmètresd’épaisseursouslasurfacedusol.Lorsqu’onsedéplacedel’amontvers
l’avalàl’échelled’uncontinent,lespremiersminérauxàprécipitersontlesmoinssolubles(siliceformant
dessilcrètesetdesmeulières),puisonprécipitedelacalcite(calcrètes),deladolomite(dolocrètes),du
gypse(gypcrètes)etenfindeschlorures.L’altérationadditiveestnourrieparlamatièreissuedeszonesen
altérationsoustractive.
III. L’HORIZONFISSUREDESPROFILSLATERITIQUES
III.1 Structured’unprofillatéritique
Onréservegénéralementletermedeprofillatéritiqueauxprofilsd’altérationsoustractivedéveloppéssur
rochescristallines(plutoniques,métamorphiquesouvolcaniques).Seulscesprofilsd’altérationsont
susceptiblesdecontenirunhorizonfissurédansleurpartieprofonde.
Unprofillatéritiquecomprendgénéralement,dehautenbas(Figure2):
‐ Unecuirasseferrallitique,épaissede1à10m,résultantdelarecristallisationensommetdeprofil
desgrainsdegoethite(hydroxydedefer)issusdel’altérationenzonesaturéedesminérauxferro‐
magnésiensprimairesenhématitemassive(oxydedefer)sousl’effetd’unesaisonsèche.La
cuirassepeutdisparaîtredusommetdesprofilslatéritiquessoitparérosion,soitleplussouvent
parréhydratationlorsqueleprofils’engorgeparsuited’unesubsidencelithosphérique:c’est
généralementlecaspourlesprofilsanciens.
‐ Desaltéritesmeubles(saprolite)forméesd’unmélanged’argiles,d’hydroxydesoud’oxydesetde
minérauxrésiduels(quartz).Ondistinguegénéralementdanslapartieinférieuredesisaltéritesoù

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«Aquifèresdesocle:lepointsurlesconceptsetlesapplicationsopérationnelles»LaRoche‐sur‐Yon,juin2015
lastructuredelarocheinitialeestpréservée(lamatièreévacuéeestremplacéepardelaporosité),
etdanslapartiesupérieuredesallotérites,oùlastructuredelarocheinitialeadisparu.Ausommet
delasaprolite,lesargilestachetées,d’épaisseurmétrique,constituentunhorizondetransition
aveclacuirasse.Danslesrochesgrenues(granitoïdes,gabbros),lapartieinférieuredelasaprolite
prendunaspectfeuilleté(horizonfeuilleté),lefeuilletageoulaminationrésultantduresserrement
desjointsdel’horizonfissuréjusqu’àunespacementmillimétrique.
‐ Unhorizonfissuré,caractériséparunefortedensitédefracturesdansunerochedure:ladensitéet
laconnectivitédesfracturessontmaximalesausommetetdécroissentverslebas.Laroche
primairerestedureetpeualtérée,sauflelongdesfracturesetdescapillairesassociés.Dansles
rochesgrenuesisotropeslesfracturesontunegéométrieplanecaractéristique.
‐ Laroche«saine»oùseulesexistentd’éventuellesfracturesrésultantdel’histoiretectonique.
Figure2‐Structured'unprofillatéritiquerecoupéparlatopographieactuelle(modifiédeWyns,1998et
Wynsetal.,2004)
L’épaisseurdesaltéritesmeubles(saprolite)estgénéralementdeplusieursdizainedemètresetpeut
dépasser100m.L’horizonfissuréagénéralementuneépaisseurdoubledecelledelasaprolite.
III.2 Mécanismedelafissuration
L’existenced’unezonefissuréeausommetdubed‐rocksouslesargilesd’altérationdesprofilslatéritiques
étaitconnuedepuislongtemps,maisétaitinterprétéetantôtcommerésultantdeladécompressionpar
érosion(off‐loading),tantôtcommerésultantdelacontractionthermiquepourlesrochesplutoniques
(Lachassagneetal.,2011).Lacréationdefentesdetensionpardécompressionnécessitequeladiminution
del’unedescomposantesdutenseurdecontraintessoitrapide,cequiestlecasparexemplelorsdu
creusementd’unegaleriedemine.Danslanature,ladiminutiondelacontrainteverticaledueàl’érosion
esttroplentepourcréerdesfentesdetension,carlescontraintesontletempsdeseréorganiserauniveau
desjointsdegrains.Laprésenced’unhorizonfissurédanslegraniteàdeuxmicasdeMortagneàMallièvre
(Figure3)etsonabsencedanslemicrogranitedeThouarsdistantde50kmalorsquelesdeuxmassifs,
recoupésparlamêmepaléosurfacepré‐cénomanienne,ontsubilamêmehistoireérosive,montrequela
décompressionn’estpasàl’originedel’horizonfissuré.
Parailleurs,lesjointshorizontauxdesgranitesnepeuventêtredusàlacontractionthermiquelorsdu
refroidissementdelachambremagmatique,carcesjointshorizontauxaffectentaussilesorthogneissetles
migmatitesàfoliationverticale.

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«Aquifèresdesocle:lepointsurlesconceptsetlesapplicationsopérationnelles»LaRoche‐sur‐Yon,juin2015
Figure3‐Agauche:l'horizonfissurédanslegraniteàdeuxmicasdeMallièvre;àdroite:absenced'horizon
fissurédanslemicrogranitedeThouars,distantde50kmduprécédent.Lesdeuxmassifsontsubilamême
histoireérosive,l'absencedefissuresdanslemicrogranitemontrequeladécompressionparérosionn’est
pasàl’originedesfissureshorizontalesdugranite
Lacompréhensiondumécanismedelafissurationdesgranitesrésultedel’étudepétrographiquededeux
foragescarottésdansdesprofilslatéritiquessurgranite.Enprofondeur,àplusde50msouslabasedes
arènes,lesbiotitessontgénéralementsaines.Puis,aufuretàmesurequel’onmonteverslehaut,une
partiedesbiotitescommenceàsetransformersoitenchlorite,soitenvermiculite,etl’onobservealors
unedéformationdesclivagesautourdeszonesenvoied’altération,quitraduisentungonflementdes
feuillets(Figure4a).Dansl’horizonfeuilleté,àlabasedesarènes,touteslesbiotitesontétéaltérées(Figure
4b)etonobserveunintenseréseaudemicrofissures.
a b 
Figure4‐a:Cristaldebiotiteenvoied'altérationdansl’horizonfissuré(GranitedeLangonnet,Morbihan,France).
Noterladéformationdesclivagesdelabiotiteautourdeszonesaltéréesetl’apparitiondemicrofissures;b:Basedes
arènes(horizonfeuilleté):touteslesbiotitesontétéaltérées(tachesbrunessoulignéesparlagoethite).Noterl’intense
réseaudemicrofissures.
Ainsi,l’altérationd’unebiotite,ensetransformantenchloriteouenvermiculite,provoqueune
augmentationpotentielleduvolumeducristald’environ40%.Cettetransformationsefaitauseinde
l’horizonfissuré,àplusieursdizainesdemètresdeprofondeur.Danscesconditions,legonflementest
impossible(saufàproximitédesfissurespréexistantes)carlemilieuestrigide,etpeutêtreconsidéré
commeinfinidansleplanhorizontal:ilenrésulteuneaugmentationdescontrainteshorizontales.Dansle
planvertical,legonflementneserapossiblequelorsquelacontrainteverticaleserasupérieureouégaleà
lachargelithostatique.

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Dansungranite,dèsquelachargelithostatiqueestcompensée,lacontrainteverticalen’augmentepluset
elleestremplacéepardeladilatation,alorsquelescontrainteshorizontalescontinuentàaugmenter;les
contraintesmaximales(σ1etσ2dutenseurdecontraintes)sontalorshorizontales,tandisquelacontrainte
minimale(σ3)estverticale.Lorsqueladifférenced’intensitéentrecontraintemaximalehorizontaleet
contrainteverticale(le«déviateurdecontraintes»ausensmécanique)dépasselalimiteélastiquedela
roche,ilyaapparitiondefissures(fentesdetension),quiserontparallèlesauxdeuxcomposantes
maximalesdutenseurdecontraintes(c'est‐à‐direhorizontalesdanslecasd’ungranite).
Danslesrochesisotropescommelesgranitesoubiendanslesrochesàfoliationverticale,lesfissures
crééesserontprincipalementhorizontales(Figure5a).Danslesrochesplissées(schistesetmicaschistes),les
fissuressontorientéesdemanièrealéatoire(Figure5b).Lorsquelafoliationesthorizontale,iln’yapas
d’augmentationdescontrainteshorizontales,etlarochegonflecommeuneépongeensefeuilletant.
Danslesrochessilico‐alumineuses(granites,schistes,micaschistes,gneiss),lesminérauxcapablesde
gonflerens’altérant,doncdegénérerunefissuration,sontenpremierlieulabiotite:ceminéralesttrès
réactifenprésenced’eaucarlesliaisonsentrefeuillets,assuréesparunecouched’atomesdepotassium,
sontassezpeuénergiques.Lesmicasblancs(muscovite,séricite)gonflentégalementmaisplustardivement
dansleprocessusd’altération,carlesliaisonsinterfoliairessontplusénergiquesquedanslecasdela
biotite.Lepouvoirdegonflementdecesminérauxestdûaufaitquelesphyllitesà14Ånéoforméesse
développentparépigénèsedesphyllitesà10Åpréexistantes,enutilisantlemêmeréseaucristallin.A
contrario,ilnesemblepasquel’altérationdesplagioclases,quiestaussiprécocequecelledesbiotites,se
fasseavecaugmentationdevolume.
a b 
Figure5‐a:JointshorizontauxdanslegranitedePloumanac'h(Bretagne,France);b:L’horizonfissurédansdes
schistesgréseux(nordduMassifcentral)
Danslesrochesbasiquesetultrabasiques(dolérites,basaltes,gabbros,péridotites),l’existenced’un
horizonfissuréestliéàlaprésencedanslarocheinitialedepyroxèneset/oud’olivine,quisemblentles
seulsàavoiruncaractèregonflantlorsdel’altération:lesamphibolesnesemblentpasgonfleretnecréent
pasd’horizonfissurédéveloppé.Lesdoléritesamphibolitiséeslorsdeleurmiseenplacedansunmilieu
richeeneau,demêmequelesbasaltesamphibolitisésparmétamorphismesontgénéralementpeualtérés
etpeuaquifères.Lesgabbrosmontrentlesmêmesmécanismesdefissurationquelesgranites,avecdes
jointshorizontaux.Lespéridotitessefissurentavecdesjointshorizontauxouanarchiques,puisévoluent
pardissolutionversuncomportementdekarstsouscouverturedesaprolite.
Lesrochespeualtérablestellesquelesfilonsdequartzouderhyolitepeuventsefissurerenréponseaux
contraintesgénéréesparl’altérationdel’encaissantsicelui‐ciestaltérable(Figure6).Cesfilonsoùla
fracturationintenseresteouvertepermettentauprofild’altérationdes’enfoncerplusrapidementcarils
constituentalorsdescouloirsverticauxàforteperméabilité.Cesfilonsconstituentégalementdesdrainsà